Science & Education

1. Ηλεκτρική Δύναμη

Πολύ πιθανόν να έχετε παρατηρήσει ότι όταν χτενιζόμαστε με μία χτένα, οι τρίχες έλκονται από αυτήν. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και με μικρά κομμάτια χαρτί όπως φαίνεται στο παρακάτω βίντεο.

Στο κεφάλαιο αυτό θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε και να ερμηνεύσουμε τέτοια φαινόμενα.

Τα σώματα (όπως η χτένα) που όταν τα τρίψουμε με κάποιο άλλο σώμα, μπορούν να ασκήσουν δύναμη σε ελαφριά αντικείμενα, λέμε ότι είναι ηλεκτρισμένα. Η δύναμη που ασκείται μεταξύ ηλεκτρισμένων σωμάτων, ονομάζεται ηλεκτρική.

Ένας τρόπος για να ελέγξουμε αν ένα σώμα είναι ηλεκτρισμένο, είναι με το ηλεκτρικό εκκρεμές το οποίο έλκεται από ηλεκτρισμένα σώματα όως φαίνεται στο βίντεο που ακολουθεί.

Όπως βλέπουμε οι ηλεκτρικές δυνάμεις ασκούνται από απόσταση ενώ ασκούνται σε διαφορετικά σώματα απ’ότι οι μαγνητικές.

Οι ηλεκτρικές δυνάμεις με τις οποίες αλληλεπιδρούν δύο ηλεκτρισμένα σώματα μπορεί να είναι ελκτικές ή απωστικές.

2. Το ηλεκτρικό φορτίο

Για να ερμηνεύσουμε την προέλευση και τις ιδιότητες των ηλεκτρικών δυνάμεων, δεχόμαστε ότι η ύλη έχει μια ιδιότητα την οποία ονομάζουμε ηλεκτρικό φορτίο και συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα Q ή q.

Όταν δύο σώματα έχουν ηλεκτρικό φορτίο τότε λέμε ότι είναι ηλεκτρικά φορτισμένα και αλληλεπιδρούν με ηλεκτρικές δυνάμεις.

Υπάρχουν δύο είδη φορτίου, το θετικό (+) και το αρνητικό (-).

Σώματα που είναι ηλεκτρικά φορτισμένα με το ίδιο είδος φορτίου απωθούνται μεταξύ τους ενώ σώματα, φορτισμένα με διαφορετικό είδος φορτίου, έλκονται.

Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου στο S.I. είναι το Κουλόμπ (C). Συνήθως όμως χρησιμοποιούμε υποπολλαπλάσια του C (Κουλόμπ) όπως το μC (μικροκουλόμπ) και το nC (νάνοκουλόμπ). (1μC = 10^-6C και 1nC = 10^-9C)

Όταν έχουμε δύο ή περισσότερα φορτία, το συνολικό φορτίο θα ισούται με το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων.

Αν για παράδειγμα έχουμε δύο φορτία:

τότε το συνολικό φορτίο θα είναι:

Στην περίπτωση που το συνολικό φορτίο είναι μηδέν, λέμε ότι το σώμα ή το σύνολο των σωμάτων είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

3. Το ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό του ατόμου

Όπως έχουμε μάθει πέρυσι στο μάθημα της Χημείας η ύλη αποτελείται από άτομα και ιόντα τα οποία κι αυτά με τη σειρά τους αποτελούνται από μικρότερα (υποατομικά) σωματίδια.

Η δομή του ατόμου.

Σύμφωνα με το πρότυπο που περιγράφει ένα άτομο:

1. Κάθε άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα (που είναι θετικά φορτισμένος) γύρω από τα οποία περιφέρονται τα ηλεκτρόνια (που είναι αρνητικά φορτισμένα).
2. Όλα τα ηλεκτρόνια είναι όμοια μεταξύ τους, έχουν την ίδια μάζα και το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο. Περιφέρονται σε “τροχιές” γύρω από τον πυρήνα (στιβάδες) και τα πιο απομακρυσμένα ηλεκτρόνια από τον πυρήνα τα ονομάζουμε εξωτερικά ηλεκτρόνια.
3. Οι πυρήνες αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια είναι όμοια μεταξύ τους, έχουν ίδιες μάζες και θετικό φορτίο. Τα νετρόνια είναι επίσης είναι όμοια μεταξύ τους, έχουν ίδιες μάζες αλλά δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, δηλαδή είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν σχεδόν ίδιες μάζες.
4. Το πρωτόνιο και το ηλεκτρόνιο έχουν ακριβώς αντίθετα φορτία, του πρωτονίου είναι +1,6×10^-19C ενώ του ηλεκτρονίου -1,6×10^-19C. Τα φορτία αυτά είναι τα μικρότερα φορτία που έχουν παρατηρηθεί ελεύθερα στη φύση.
5. Ο αριθμός των πρωτονίων ενός ατόμου είναι ίδιος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων έτσι ώστε το συνολικό φορτίο του ατόμου να είναι μηδέν, δηλαδή τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Σε πολλές περιπτώσεις, κάποια άτομα αποβάλουν ή προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια, οπότε αποκτά ηλεκτρικό φορτίο (θετικό ή αρνητικό αντίστοιχα) και ονομάζονται ιόντα.

Από τη στιγμή που όλα τα σώματα αποτελούνται από άτομα, είναι δυνατόν ένα σώμα να προσλάβει ηλεκτρόνια, οπότε θα έχει περίσσεια ηλεκτρονίων και θα αποκτήσει αρνητικό φορτίο. Αντίθετα, αν ένα σώμα αποβάλλει ηλεκτρόνια, τότε θα αποκτήσει θετικό φορτίο. Γενικότερα λοιπόν, η φόρτιση των σωμάτων γίνεται με μεταφορά ηλεκτρονίων.

Ιδιότητες του ηλεκτρικού φορτίου

1. Αρχή Διατήρησης του Ηλεκτρικού Φορτίου
   Σε οποιαδήποτε διαδικασία, είτε αυτή γίνεται στο μικρόκοσμο, είτε στο μακρόκοσμο, το συνολικό φορτίο διατηρείται σταθερό. Δηλαδή το ηλεκτρικό φορτίο, ούτε δημιουργείται, ούτε καταστρέφεται.
2. Κβάντωση του ηλεκτρικού φορτίου
   Το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται πάντα ως ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους φορτίου του ηλεκτρονίου (του πιο μικρού φορτίου που έχει παρατηρηθεί ελεύθερο στη φύση). Το φορτίο του ηλεκτρονίου ονομάζεται κβάντο του ηλεκτρικού φορτίου.

4. Τρόποι ηλέκτρισης

Ηλέκτριση ενός σώματος μπορεί να γίνει με τριβή, επαφή και με επαγωγή.

Ηλέκτριση με τριβή

Όταν τρίβουμε δύο σώματα μεταξύ τους, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από το ένα σώμα μεταφέρονται στο άλλο. Επειδή στα άτομα διαφορετικών υλικών, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια βρίσκονται σε διαφορετική απόσταση από τον πυρήνα, σε κάποια υλικά τα ηλεκτρόνια αυτά απομακρύνονται ευκολότερα από κάποια άλλα.

Στο γυαλί για παράδειγμα τα εξωτερικά ηλεκτρόνια απομακρύνονται ευκολότερα σε σχέση με ένα ύφασμα. Έτσι όταν τρίβουμε μια γυάλινη ράβδο με ένα ύφασμα, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια απομακρύνονται από τη ράβδο και μεταφέρονται στο ύφασμα. Η ράβδος τότε αποκτά θετικό φορτίο και το ύφασμα αρνητικό.

Κατά την ηλέκτριση με τριβή τα δύο σώματα που τρίβονται, αποκτούν ίσα και αντίθετα φορτία.

Ηλέκτριση με επαφή

Όταν φέρουμε σε επαφή ένα φορτισμένο σώμα με ένα άλλο ηλεκτρικά ουδέτερο, τότε το δεύτερο σώμα θα αποκτήσει φορτίο ίδιου είδους με το αρχικά φορτισμένο. Αυτό συμβαίνει γιατί μεταφέρονται ηλεκτρόνια από το φορτισμένο σώμα προς το ουδέτερο (αν το πρώτο είναι φορτισμένο αρνητικά) ή από το ουδέτερο προς το φορτισμένο (αν είναι φορτισμένο θετικά).

Κατά την ηλέκτριση με επαφή, το άθροισμα των φορτίων που αποκτούν τα σώματα τελικά είναι ίσο με το φορτίο που είχε το αρχικά φορτισμένο σώμα.

Ηλέκτριση με επαγωγή 

Για να υπάρξει ηλέκτριση με επαγωγή, θα πρέπει να πλησιάσουμε ένα φορτισμένο σώμα κοντά σε ένα ηλεκτρικά ουδέτερο. Αυτό προκαλεί τον διαχωρισμό των θετικών από τα αρνητικά φορτία κι έτσι το σώμα ηλεκτρίζεται χωρίς όμως να φορτιστεί.

Αγωγοί και μονωτές

Αγωγοί ονομάζονται τα σώματα που επιτρέπουν τον διασκορπισμό του ηλεκτρικού φορτίου σε όλη τους την έκταση.

[Στο εσωτερικό ενός αγωγού υπάρχουν θετικά ιόντα τα οποία βρίσκονται σε συγκεκριμένες θέσεις (και κινούνται ελαφρά γύρω από αυτή τη θέση) και ηλεκτρόνια τα οποία μπορούν να κινούνται ελεύθερα ανάμεσα στα ιόντα και σε όλη την έκταση του αγωγού.]

Αντίθετα, μονωτές, ονομάζονται τα σώματα στα οποία το φορτίο δε διασκορπίζεται αλλά μένει εντοπισμένο στην περιοχή του σώματος που φορτίστηκε αρχικά.

[Στους μονωτές υπάρχουν ελάχιστα ελεύθερα ηλεκτρόνια και για αυτό δεν μπορούν να μετακινηθούν μέσα στο υλικό.]

Ανίχνευση του ηλεκτρικού φορτίου – Το ηλεκτροσκόπιο 

Ένας άλλος τρόπος για να ανιχνεύσουμε το ηλεκτρικό φορτίο εκτός από το ηλεκτρικό εκκρεμές, είναι το ηλεκτροσκόπιο με κινητά φύλλα.

Ηλεκτροσκόπιο με κινητά φύλλα.

Όταν φέρουμε ένα φορτισμένο σώμα σε επαφή με το δίσκο του ηλεκτροσκοπίου, τότε το ηλεκτροσκόπιο αποκτά ίδιο είδος φορτίου με το φορτισμένο σώμα.  Επειδή το ηλεκτροσκόπιο αποτελείται από μεταλλικό υλικό (αγώγιμο) το φορτίο διαχέεται σε όλη τη μάζα και φτάνει και στα φύλλα του. Αυτά επειδή αποκτούν το ίδιο είδος φορτίου, απωθούνται και σχηματίζουν μία γωνία. Όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο, τόσο μεγαλύτερη είναι και η γωνία που σχηματίζουν τα φύλλα μεταξύ τους.

5. Νόμος του Κουλομπ

Charles – Augustin de Coulomb (1736-1806)

Ο Σαρλ Κουλόμπ μελέτησε εκτενώς τις ηλεκτρικές δυνάμεις και μπόρεσε να προσδιορίσει από ποια μεγέθη και πως εξαρτάται το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης που ασκείται από ένα φορτισμένο σώμα σε ένα άλλο.

Το πρώτο πράγμα που παρατήρησε, ήταν ότι:

Η δύναμη μεταξύ δύο φορτισμένων σωμάτων μπορεί να είναι είτε ελκτική είτε απωστική ανάλογα με το είδος του φορτίου κάθε σώματος.

Έτσι, όμοια φορτία θα απωθούνται (απωστική δύναμη) ενώ αντίθετα φορτία θα έλκονται (ελκτική δύναμη).

Στη συνέχεια, πειραματίστηκε με την απόσταση που βρίσκονται τα δύο φορτισμένα σώματα. Ήταν ήδη γνωστό ότι όσο μεγάλωνε η απόσταση, τότε η δύναμη μεταξύ των φορτισμένων σωματιδίων μειωνόταν. Μετά από ακριβείς μετρήσεις παρατήρησε ότι όταν διπλασίαζε την απόσταση, η δύναμη υποτετραπλασιαζόταν (γινόταν τέσσερις φορές μικρότερη), όταν τριπλασίαζε την απόσταση η δύναμη υποεννιαπλασιαζόταν κ.ο.κ.. Κατέληξε λοιπόν στο ότι:

Η ηλεκτρική δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των φορτισμένων σωμάτων.

Μεταβάλλοντας τα φορτία των σωμάτων παρατήρησε ότι όσο μεγάλωνε το φορτίο, είτε του ενός είτε του άλλου σώματος, η δύναμη μεγάλωνε. Επίσης αν αύξανε το φορτίο και στα δύο σώματα, τότε η δύναμη αυξανόταν πολύ περισσότερο. Μετρώντας, παρατήρησε ότι όταν διπλασίαζε ή τριπλασίαζε ένα από τα δύο φορτία η δύναμη διπλασιαζόταν ή τριπλασιαζόταν αντίστοιχα. Επίσης όταν διπλασίαζε και τα δύο φορτία η δύναμη τετραπαλασιαζόταν ενώ όταν διπλασίαζε το ένα και τριπλασίαζε το άλλο, η δύναμη εξαπλασιαζόταν. Συμπέρανε λοιπόν ότι:

Η ηλεκτρική δύναμη είναι ανάλογη με το ηλεκτρικό φορτίο κάθε σώματος κι επομένως με το γινόμενό τους όταν η απόσταση των σωμάτων είναι σταθερή.

Συνοψίζοντας όλα τα παραπάνω έχουμε τον νόμο του Κουλόμπ:

Το μέτρο της ηλεκτρικής δύναμης (F) με την οποία αλληλεπιδρούν δύο σημειακά φορτία (q₁ και q₂) είναι ανάλογη με το γινόμενο των φορτίων κι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης (r).

Με μαθηματική έκφραση ο νόμος του Κουλομπ έχει την παρακάτω μορφή:

όπου Κ είναι μια σταθερά αναλογίας (ηλεκτροστατική σταθερά) και στο S.I. έχει τιμή περίπου:

Επειδή η δύναμη είναι διανυσματικό μέγεθος, εκτός από το μέτρο που μας δίνει ο νόμος του Κουλόμπ παραπάνω πρέπει να προσδιορίσουμε και την διεύθυνσή της.

Η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ δύο σημειακών φορτίων βρίσκεται πάνω στην ευθεία που ενώνει τα δύο φορτία.

Παραδείγματα ασκήσεων στην ηλεκτρική δύναμη (Νόμος Coulomb)

6. Ηλεκτρικό πεδίο

Ηλεκτρικό πεδίο ονομάζουμε την περιοχή του χώρου μέσα στην οποία αν βρεθεί ένα ηλεκτρικό φορτίο θα του ασκηθεί δύναμη.

Με την έννοια του ηλεκτρικού πεδίου μπορούμε να περιγράψουμε τον τρόπο με τον οποίο ασκείται μια ηλεκτρική δύναμη ως εξής:

1. Γύρω από κάθε φορτισμένο σώμα δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο.
2. Τα φορτισμένα σώματα αλληλεπιδρούν μέσω των ηλεκτρικών τους πεδίων.

Επιπλέον βίντεο και πληροφορίες

Βίντεο από το πανεπιστήμιο του MIT

• Φόρτιση πλαστικής και γυάλινης ράβδου
• Φορτία και δίπολα
• Κλωβός Φαραντέι

Αυτή η εργασία έχει άδεια χρήσης Creative Commons -Αναφορά Δημιουργού – Μη Εμπορική Χρήση – Παρόμοια Διανομή4.0.

Το άρθρο δημοσιεύτηκε Τρίτη 30 Σεπτεμβρίου 2014 στις 23:18 στην κατηγορία Φυσική Γ' Γυμνασίου. Μπορείς να παρακολουθείς τα σχόλια χρησιμοποιώντας το RSS 2.0 feed. Τα σχόλια και τα pings δεν επιτρέπονται.